田昆鹏， 张 彬， 李显旺， 沈 成， 黄继承

(农业部南京农业机械化研究所，江苏南京 210014)

猕猴桃果肉鲜嫩，营养丰富，是我国极具特色的水果之一[1]。由于猕猴桃质地较柔软，在采摘、包装、运输到销售等各个环节中很容易受到机械压缩损伤，受损后的果体会迅速发生变质、腐败等现象，严重影响果品质量和经济效益[2-5]。研究猕猴桃的力学特性，有助于掌握猕猴桃的压缩受损机制，并为猕猴桃生产装备的研制提供参考。

对相关文献资料进行研究发现，国内外对柑橘、梨、葡萄、番茄等常见果蔬力学特性的研究较多，对猕猴桃的研究也有一定涉及[6-14]。在国外，Talens等测定了猕猴桃在冷藏前后的物理及压缩力学特性，确定了猕猴桃在冻融后保持最佳物理力学特性的贮存温度和压力[15]。Razavi等研究了海沃德品种猕猴桃的物理力学特性，测定了猕猴桃果实的外形尺寸、体积、密度、静摩擦系数、坚实度、黏附力等参数，为猕猴桃生产环节机械设备的设计提供了力学参数[16]。在国内，计宏伟等对猕猴桃整果进行了压缩试验，分析了猕猴桃在压缩过程中的力学行为，给出了蠕变-时间曲线[17]。陈军等测定了猕猴桃的抗挤压特性和其他相关物理参数，为猕猴桃采摘机器人末端执行器的设计提供了参考[18]。

归纳发现，以上研究都是针对猕猴桃整果力学特性的研究，由于单个猕猴桃整果主要由果皮、果肉等部分组成，各组分力学特性差异较大，对猕猴桃各组分进行力学特性测定分析，掌握其力学特性，对了解猕猴桃受损机制，减少猕猴桃生产过程中机械损伤，建立猕猴桃动力学模型、有限元数值模型以及研制猕猴桃生产装备都具有重要意义。

1 猕猴桃力学特性试验

1.1 试验材料

本试验所用猕猴桃为我国猕猴桃主要品种之一的金艳猕猴桃。选取长势均匀、无损伤及病虫害、处于成熟期的金艳猕猴桃鲜果作为试验样本。由于金艳猕猴桃外形近似椭圆体，轴向直径比径向长，通过游标卡尺测得，猕猴桃轴向和径向直径范围分别为(72±5)、(50±3) mm。将猕猴桃分别沿轴向和径向从中间切开，可以看到猕猴桃的中间部位为胎座，在胎座和果肉之间为种子室，种子室内密布种子和包裹种子的黏液(图1)。

1.2 试验仪器设备

猕猴桃压缩力学特性试验所用仪器和工具主要包括WDW-10微机控制万能试验机(图2)、游标卡尺、美工刀等，其中万能试验机精度等级为0.5级，试验力分辨力为 1/300 000 F.S(full scale，简称满量程)，力控速率调节范围为0.005%～5%F.S/S(full scale per second)，位移速率调节范围为0.005～500 mm/min。

1.3 试验方法

1.3.1 猕猴桃果皮拉伸试验 将猕猴桃果皮分别制作轴向和径向拉伸试样。制作轴向拉伸试样时，首先用中性笔沿轴向方向在猕猴桃果皮上划分出若干条均匀分布的经线，相邻经线间距取15 mm左右，其后用美工刀沿经线将猕猴桃切成尺寸相等的条块，切条后再将果肉沿果皮削下(果肉备用)，将果皮制成宽为(10±1) mm、长为(50±5) mm的30个试样。

制作径向拉伸试样和制作轴向拉伸试验相似，首先用中性笔在猕猴桃径向方向上画出间距12 mm左右的纬线，沿纬线环切后将猕猴桃果肉沿果皮削下(果肉备用)，同样将果皮制成宽为(10±1) mm、长为(50±5) mm的30个试样，经游标卡尺测量果皮厚度为0.4 mm左右。试验时，万能试验机上下夹头分别加持果皮试样两端(图3)，设定加载速度为5 mm/min，取果皮在上下夹头中间位置断裂的为有效拉伸试样，由万能试验机记录下相应的应力-应变曲线和试验数据。

1.3.2 猕猴桃果肉压缩试验 将“1.3.1”节中制作猕猴桃果皮拉伸试样削下来的果肉条块分别沿经向和轴向分段切割后，将果肉制成长为(10±1) mm、宽为(7±1) mm、高为(10±1) mm 的轴向压缩试样和长为(10±1) mm、宽为(10±1) mm、高为(7±1) mm的径向压缩试样。试验时分别将2种试样沿高度方向放置在万能试验机压缩下压头中心，通过位移调节按钮微调上压头与试样间距，并在上压头轻微碰触到试样上表面时将压缩力和位移清零，此时万能试验机在压缩方向的原始标距即为试样的高度。设定万能试验机加载速度为 5 mm/min，启动加载按钮，当果肉试样受到压缩破坏，应力值减小到最小值并开始逐渐增加时停止加载，由万能试验机记录下相应的应力-应变变化曲线及试验数据。猕猴桃果肉压缩试验如图4所示。

1.4 力学特性参数求解依据

对猕猴桃进行果皮拉伸和果肉压缩试验时，在果皮和果肉内各部分之间会产生相互作用的内力，果皮和果肉单位面积上所受的内力称为应力，公式表示为：

(1)

式中：σ表示应力，N/mm2；F表示拉力(压力)，N；S表示拉(压)方向上材料横截面面积，mm2。

果皮和果肉在受到外力作用下会产生一定的变形，变形的程度称应变，公式表示为：

(2)

式中：ε表示拉(压)应变量，%；ΔL表示变形后长度，mm；L表示变形前的原始标距长度，mm。

材料在弹性变形阶段，其应力和应变成正比例关系，其比例系数称为弹性模量，公式表示为：

(3)

式中：E为材料弹性模量，N/mm2或MPa。

2 结果与分析

2.1 果皮拉伸试验结果与分析

猕猴桃果皮拉伸应力-应变曲线如图5所示，试验数据见表1。

由图5可知，猕猴桃果皮受拉时，在轴向和径向拉伸开始阶段，应力-应变曲线具有一定的线性变化特征，没有明显的生物屈服点出现，此后随着载荷和变形量的逐渐增加，达到果皮抗拉极限后，猕猴桃果皮被迅速拉断，出现应力突降现象。

由表1可知，猕猴桃果皮轴向拉伸弹性模量、抗拉强度平均值分别为14.46、1.40 MPa；猕猴桃果皮径向拉伸弹性模量、抗拉强度平均值分别为14.32、1.15 MPa。

表1 猕猴桃果皮拉伸试验数据

2.2 果肉压缩试验结果与分析

猕猴桃果肉压缩应力-应变曲线如图6所示，试验数据见表2。

由图6可知，在轴向和径向压缩开始阶段，应力-应变曲线都具有一定的线性变化特征，表明猕猴桃在承受微量压缩时具有弹性应变特性。随着载荷的增加，压缩应力逐渐增大，当应力达到果肉抗压强度时，果肉原有组织结构受到破坏，果肉整体被压碎。此后随着应变量的增大，应力值不再增加反而逐渐减小，此现象表明果肉在压缩阶段后期具有压缩屈服现象。

由表2可知，猕猴桃果肉轴向压缩弹性模量、屈服强度平均值分别为4.46、0.75 MPa；猕猴桃果肉径向压缩弹性模量、屈服强度平均值分别为2.10、0.52 MPa。

3 结论与讨论

利用万能试验机分别对金艳品种猕猴桃主要组分果皮和果肉的力学特性参数进行试验测定，并结合理论计算得出：金艳猕猴桃果皮轴向和径向拉伸弹性模量和抗拉强度平均值分别为14.46、1.40 MPa和14.32、1.15 MPa。对比各力学特性参数可知， 猕猴桃果皮轴向和径向拉伸力学特性参数差异较小，结合生物材料的力学本构模型特性，可近似认为猕猴桃果皮为各向同性材料的本构特性。金艳猕猴桃果肉轴向和径向压缩弹性模量、屈服强度平均值分别为4.46、0.75 MPa和2.10、0.52 MPa。对比各力学特性参数可知，猕猴桃果肉轴向和径向压缩力学特性参数差异较大，结合生物材料的力学本构模型特性，可以认为猕猴桃果肉具有为正交各向异性材料的本构特性。

表2 猕猴桃果肉压缩试验数据

注：L为试验长度；D为试样宽度；H为试样高度；Ec为压缩弹性模量；Re为屈服强度。

本研究成果可为猕猴桃机械损伤分析、猕猴桃动力学、有限元数值模型的建立及生产装备的研制提供重要的参数依据。